大型放射光施設 SPring-8

公開日

2024年09月05日

2024年9月5日
北海道大学
東京大学
豊橋技術大学
東京都立大学
広島大学
高輝度光科学研究センター

・塩化物におけるマルテンサイト変態の発見。
・相変態による機械的な性質の劇的な変化の提案。
・非酸化物における機械的性質の変換指針。

　ユニークな特性を持つ相変態は、科学の重要な進歩に貢献します。約半世紀前、ガーヴィらは、"Ceramics steel?" [Nature 258, 703-704 (1975)] において、セラミックスの相変態による高靭性を報告し、部分的安定化ジルコニアの例外的な靭性は、準安定な正方晶カルシウムドープ酸化ジルコニウムからのマルテンサイト変態に起因することを発見しました。加えられた応力によって引き起こされた著しい体積膨張を伴う相変態は、セラミックス中のクラックの伝播を妨げ高靭性を発現します。このメカニズムは、歯科や機械的コーティングなど幅広い用途に利用されています。しかし、他のジルコニウム類似の酸化物材料については、半世紀にわたる研究にもかかわらず、部分安定化ジルコニア以外は実用化されていません。

　研究グループは、三元系塩化ナトリウム、単斜晶Na₃YCl₆において、一軸加圧によって引き起こされるマルテンサイト変態を発見しました。そのメカニズムを、ダイヤモンドアンビルセル^*2を用いた大型放射光施設SPring-8^*3のBL10XUにおける放射光XRD実験と、超格子モデルを用いた計算によって調査しました。その結果、相変態は長距離原子拡散を伴うことなく進行し、等方的な圧力ではなく異方的な応力によって引き起こされること、及び相変化に伴い巨大な異方的な体積膨張が起こることを明らかにしました。インデンテーション試験^*4により圧粉体の機械的性質を調査した結果、単斜晶Na₃YCl₆は塩化ナトリウム（NaCl）や有機金属ペロブスカイト（CH₃NH₃PbCl₃）よりも著しく柔らかいことが分かり（図1）、上記のマルテンサイト変態によって特異的な機械的性質が発現していることを提案しました。

　本研究で発見された相転移と機械的性質は、半世紀前に発見された部分安定化ジルコニアのメカニズムと類似していますが、高いイオン性を持つ塩化物でこのような相変態や機械的特性を示すことは驚きでした。本発見は、高いイオン性を持つ結晶や単斜晶などの複雑な構造を持つ非酸化物材料もマルテンサイト変態による優れた機械的特性を示す材料となりえることを示唆しており、本研究で提示した計算化学のフレームワークを用いることで材料探索を効率的に行えることが期待できます。また、ハロゲン化物材料は、高効率の太陽光発電や次世代の全固体電池として盛んに研究されており、これらの機械的特性の改善の新たな指針となります。

　本研究は日本学術振興会科学研究費助成事業（JP20KK0124、JP21K20551、JP22K14751）、JSTさきがけ（JPMJPR21Q8、JPMJPR21Q2）、JSTGteX（JPMJGX23S5）日本学術振興会国際共同研究事業の補助を受けて行われました。

【用語解説】